基于虚拟能量调节偏差的MMC-HVDC输电线路保护方法与流程

基于虚拟能量调节偏差的mmc-hvdc输电线路保护方法
技术领域
1.本发明涉及的是一种电力系统继电保护领域的技术，具体是一种基于虚拟能量调节偏差的mmc-hvdc输电线路保护方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电系统具有谐波含量低、效率高和灵活可控等优点，有广阔的应用前景。但柔性直流系统阻尼小，发生直流线路故障后，故障电流上升速度快，峰值大，容易对换流器件、设备等造成损坏。因此，在柔性直流输电系统中，对保护的速动性及可靠性提出了更高的要求。此外，由于mmc输出波形质量高，换流站出口无需安装直流滤波器、平波电抗器等，缺乏可供保护识别的边界特性。故输电线路继电保护成为mmc-hvdc输电系统发展的关键难点之一。
3.现有的高压直流输电系统中，广泛应用的保护方法主要有行波保护、微分欠压保护、差动保护等，其在柔性直流输电系统中的适用性有待商榷。目前针对mmc-hvdc输电线路的故障特性与保护方法的研究正在逐步完善，但现有保护方法的研究多存在无法全面识别故障类型、纵联保护对通信系统要求高、依赖线路边界元件等问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于虚拟能量调节偏差的mmc-hvdc输电线路保护方法，能够可靠识别直流线路区内故障及故障类型，且有较高的耐过渡电阻能力。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种基于虚拟能量调节偏差的mmc-hvdc输电线路保护方法，根据mmc控制参数在系统发生故障时对交、直流侧故障的响应特性差异计算得到虚拟能量调节偏差，进一步基于虚拟能量调节偏差的大小区分交、直流侧故障，并根据换流器正负极虚拟能量调节偏差比值判别故障类型，实现直流线路区内故障的快速可靠识别。
7.所述的系统，具体为双端mmc-hvdc系统结构，包括：通过架空线路相连的两个换流站，其中：第一换流站采用定有功功率和定无功功率控制，第二换流站采用定直流电压和定无功功率控制，两个换流站与架空线路之间分别设有保护。
8.所述的虚拟能量调节偏差为其中：i
d*
(k)与id(k)分别为d轴电流参考值与实际值的采样值，δi
d*
(k)与δid(k)分别为d轴电流参考值与实际值的变化量，i
set
为系统稳态运行时id与i
d*
的稳定值，n为数据窗长度。当换流站为定有功功率控制模式时，i
d*
(k)采用其修正值i
dm*
(k)＝i
d*
(k)-k
p2
(p
s*-ps(k))，p
s*
、ps(k)分别为交流功率参考值与实际值的采样值。
9.所述的判别故障类型是指：根据虚拟能量调节偏差δe数值大小识别直流线路故障，具体为：系统稳态运行时，虚拟能量调节偏差δe为0；系统发生故障时，d轴电流参考值与实际值的采样值i
d*
与id会偏离其稳态值i
set
，发生不同的变化，直流侧故障时δe为正，交流侧故障时δe为负。
10.所述的直流侧故障的判据为：δe＞δe
set
，满足该保护判据即判定直流线路发生故障，否则判定为区外故障，其中：δe
set
＝k
rel
δe
max
，δe取故障后1ms时刻的虚拟能量调节偏差，δe
set
为虚拟能量调节偏差门槛值，取值应大于系统正常运行时δe波动的最大值δe
max
，考虑一定的裕度，本方法中可靠系数k
rel
优选为2。
11.直流侧线路故障时，故障极的虚拟能量调节偏差会大于门槛值。由于电磁耦合，发生单极接地故障时，非故障极产生的短时压降可能会使其虚拟能量调节偏差δe也超过门槛值，但其值将远小于故障极的δe，因此采用正负极虚拟能量调节偏差的比值可以进行故障类型的选择。
12.计算正极虚拟能量调节偏差的正负极比值当k＞2时判断为正极故障，k《0.5时为负极故障，0.5≤k≤2时为双极故障，其中：δe
p
为正极虚拟能量调节偏差，δen为负极虚拟能量调节偏差。
13.根据以上直流侧故障判据和直流故障类型判别原理，设计了基于虚拟能量调节偏差的mmc-hvdc输电线路保护方法。当换流器d轴电流参考值i
d*
与实际值id之差的绝对值大于整定值δi
set
时，保护启动。分别计算正、负极换流器的虚拟能量调节偏差δe，若均不超过其门槛值δe
set
则直流侧无故障，否则计算正负极虚拟能量调节偏差的比值k，根据k值大小进行直流故障类型的判别。
14.本发明涉及一种实现上述保护方法的系统，包括：数据采集单元、数据处理单元、数据分析单元和交互单元，其中：数据采集单元与数据处理单元、数据分析单元相连并传输所采集到的系统输出的电气量d轴电流实际值；数据处理单元与数据分析单元相连，并传输经过处理计算得到的虚拟能量调节偏差及正负极虚拟能量调节偏差比值；数据分析单元与交互单元相连并传输经判断后得到的区内外和正负极故障的判别结果。技术效果
15.本发明整体解决了现有mmc-hvdc系统中无法进行直流线路故障的可靠识别。与现有技术相比，本发明通过计算虚拟能量调节偏差，并根据换流器正负极虚拟能量调节偏差识别直流线路区内故障并判别故障类型，从而能够可靠识别直流线路区内故障及各种故障类型，单端量保护速动性较强，抗过渡电阻能力较高。本发明对采样率的要求较低，且无需对线路上电气量进行测量，能够降低经济成本。
附图说明
16.图1为mmc-hvdc系统结构示意图；
17.图中：换流站1、换流站2
18.图2为基于虚拟能量调节偏差的保护方案流程图；
19.图3(a)、(b)分别为直流线路中点发生单极故障时保护r1、r2的动作情况示意图；
20.图4(a)、(b)分别为交流侧故障时保护r1、r2的动作情况示意图。
具体实施方式
21.如图1所示，为本实施例涉及一种双端mmc-hvdc系统结构，包括：通过架空线路相连的换流站1和2，其中：换流站1采用定有功功率和定无功功率控制，有功参考值为400mw，无功参考值为0mvar，换流站2采用定直流电压和定无功功率控制，无功参考值为0mvar。
22.mmc-hvdc系统参数如表1所示，采样频率为20khz。
23.表1
24.本实施例中的换流站1、2与架空线路之间分别设有保护r1和r2，该保护r1和r2分别利用其背侧换流器控制参数信息进行故障判别，分别对r1和r2处保护方案的可行性进行验证，故障发生时刻为2s，数据窗长度为1ms，δi
set
取0.15，k
set1
＝2，k
set2
＝0.5，对于保护r1，δe
set
取0.05，对于保护r2，δe
set
取0.15。
25.本实施例根据mmc控制参数在系统发生故障时对交、直流侧故障的响应特性差异计算得到虚拟能量调节偏差，进一步基于虚拟能量调节偏差的大小区分交、直流侧故障，并根据换流器正负极虚拟能量调节偏差比值判别故障类型，实现直流线路故障的快速可靠识别。
26.如图3和图4所示，分别为直流线路中点正极故障与交流故障时，两端换流站控制参数的变化情况与保护r1、r2的动作情况。
27.如表2、3所示，分别为不同故障情况下保护r1、r2的动作情况。仿真结果表示，在基于虚拟能量调节偏差的保护方法指导下，可以实现mmc-hvdc直流输电线路区内故障的快速可靠识别。
28.表2
29.表3
30.综上，本方法在交流侧发生故障的情况下能够可靠不误动，同时耐过渡电阻能力较强，在直流侧不同位置处高阻接地故障时均能可靠动作。
31.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。